自己動手寫CPU之第六階段（2）——移動操作指令實現思路

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將陸續上傳本人寫的新書《自己動手寫CPU》（尚未出版），今天是第21篇，我盡量每周四篇

6.2 移動操作指令實現思路6.2.1 實現思路

      這6條移動操作指令可以分為兩類：一類是不涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括movn、movz；另一類是涉及特殊寄存器HI、LO的指令，包括mfhi、mflo、mthi、mtlo。前一類很好實現，基本思路與第5章實現邏輯、移位操作指令時類似，只需要修改ID、EX模組即可。後一類涉及到特殊寄存器HI、LO，需要為OpenMIPS添加HI、LO寄存器，以及相應的讀寫控制。下面分別介紹各自的實現思路。

      1、movn、movz指令實現思路

      與第5章邏輯、移位操作指令的實現過程類似。

      （1）在解碼階段給出運算類型alusel_o、運運算元類型aluop_o、要寫入的目的寄存器地址wd_o等訊號的值，同時讀取地址為rs、rt的通用寄存器的值，但是這裡需要新增一個步驟：依據讀取的地址為rt的通用寄存器的值是否為0，判斷是否要寫目的寄存器。將上述結果送到執行階段。

      （2）執行階段依據傳入的訊號，確定最終要寫目的寄存器的資訊（包含：是否寫、寫入的目的寄存器地址、寫入的值），並將這些資訊傳遞到訪存階段。

      （3）上述資訊會一直傳遞到回寫階段。最後，依據這些資訊修改目的寄存器，或者不作任何修改。

      2、mthi、mtlo指令實現思路

      這2條指令需要寫HI、LO寄存器，與之前實現的通用寄存器一樣，對HI、LO寄存器的寫操作放在回寫階段進行。

      （1）在解碼階段依據指令，給出運算類型alusel_o、運運算元類型aluop_o的值，同時讀出地址為rs的通用寄存器的值。由於mthi、mtlo不寫通用寄存器，所以wreg_o為WriteDisable，wd_o為0。

      （2）在執行階段確定要寫HI、LO寄存器的情況，以及要寫入的值，並將這些資訊傳遞到訪存階段。

      （3）訪存階段將這些資訊再傳遞到回寫階段。

      （4）回寫階段依據這些資訊修改HI、LO寄存器的值。

      3、mfhi、mflo指令實現思路

      這2條指令需要讀HI、LO寄存器，設計在執行階段才能讀取到。

      （1）在解碼階段依據指令，給出運算類型alusel_o、運運算元類型aluop_o的值，同時因為有要寫的目的寄存器，所以wreg_o為WriteEnable，wd_o為指令中rd的值，也就是目的寄存器地址。

      （2）在執行階段擷取HI或LO寄存器的值，作為要寫入目的寄存器的資料，並將這些資訊傳遞到訪存階段。

      （3）訪存階段將這些資訊再傳遞到回寫階段。

      （4）回寫階段依據這些資訊修改目的寄存器。

      添加移動操作指令後的資料流圖6-2所示。

      對比圖6-2與圖5-7可以發現有如下區別。

•  增加了HILO寄存器模組，並且該模組放在回寫階段。
•  將HI、LO寄存器的值傳遞到執行階段，在執行階段增加了一個選擇模組，用於選擇要參與運算的資料，如果是mfhi、mflo指令，那麼就會選擇傳遞過來的HI、LO寄存器的值。

6.2.2 新的資料相關情況的解決

      進一步考慮mfhi、mflo指令的處理過程，這2條指令會在流水線執行階段讀取HI、LO寄存器的值，如果直接採用HILO模組給出的HI、LO寄存器的值，可能不是正確的HI、LO寄存器的值，因為此時處於訪存、回寫階段的指令有可能會修改HI、LO寄存器，以如下程式為例。

1、    lui $1,0x0000          # $1 = 0x000000002、    lui $2,0xffff          # $1 = 0xffff00003、    mthi $0                # hi = 0x000000004、    mthi $1                # hi = 0x000000005、    mthi $2                # hi = 0xffff00006、    mfhi $4                # $4 = 0xffff0000

      指令3、4、5均要修改HI寄存器，當指令6處於執行階段時，指令5處於訪存階段，指令4處於回寫階段，而此時HI寄存器的值是指令3剛剛寫入的0x00000000，HILO模組正是將該值傳到執行階段，如果採用這個值，那麼就會出錯，偏離程式設想，正確的值應該是當前處於訪存階段的指令5要寫的資料，6-3所示。

      似曾相識，是不是？這就是上一章介紹過的資料相關問題，解決措施還是使用資料前推。將處於訪存階段、回寫階段的指令對HI、LO寄存器的操作資訊反饋到執行階段，執行階段依據這些資訊，確定HI、LO寄存器的正確值。

      為此，需要修改資料流圖6-4所示，相比圖6-3，主要增加的部分就是將訪存階段、回寫階段的資訊反饋到執行階段，輸入到執行階段的選擇模組（圖中粗線所示），如果處於執行階段的是mfhi、mflo指令，那麼就會從中選擇HI、LO寄存器的正確值。

6.2.3 系統結構的修改

      為了實現移動操作指令需要對OpenMIPS系統結構進行補充完善，主要修改6-5所示。

      主要有三個方面。

      （1）增加了HILO模組，用於實現HI、LO寄存器。

      （2）執行階段的EX模組增加了whilo_o、hi_o、lo_o介面，分別表示是否要寫HILO、要寫入HI寄存器的值、要寫入LO寄存器的值。這三個介面傳遞出來的，對HI、LO寄存器的修改資訊會通過EX/MEM、MEM、MEM/WB三個模組一直傳遞到回寫階段，並最終傳遞給HILO模組。

      （3）執行階段的EX模組增加了與HI、LO寄存器有關的輸入介面，包括為解決HI、LO寄存器的資料相關問題而引入的介面，在6.3.3節會有詳細介紹。

下一次會介紹移動操作指令實現，並給出代碼，敬請關注！